JPS5845196B2 - コウガクデンソウソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光学伝送装置に関し、より特別には光学周波数
領域で動作しかつ小さな半導体チップ上に製作すること
ができる装置に関する。

大量の情報の伝送において最大可能なバンド幅を達成し
それによって最大可能な伝送速度を得るためには、可能
な限り高いキャリア周波数を用いるのが有利である。

したがって、高速データ伝送を行なうには光学領域のキ
ャリア周波数を用いるのが最もよい。

光学伝送装置の重要な応用例には、同一場所でのあるい
は長い線を介してのコンピュータとコンピュータとの接
続あるいはコンピュータとそれと相互作用する表示装置
端末との接続、多重テレビジョン通信に対して充分な能
力を有する相互作用する端子間を相互接続するループ型
情報リンク、同一場所でのあるいは場所相互の実時間（
リアルタイム）生産ラインモニタリング、ビデオ会議、
集積航空回路装置や船舶通信ループの情報管理等がある
。

絵図形情報、たとえば、Ｘ線およびサーミスコープ画像
、実時間テレビジョン等も容易に取扱うことができる。

また、各家庭を双方に接続する３０もの等価なテレビジ
ョンチャネルが計画されるような都市計画すなわち「ニ
ュータウン」に付随する改良された通信技術にズ」する
要件も単一の光学通信リンクによって達成できる。

本発明の目的および利点としては、（１）動作上および
概念的設計・製作上の両面において簡明であること、（
２）集積電子回路に適合すること、（３）より低キヤリ
ア周波数系に比較して価格の点で経済的であること、（
４）時分割多重化が容易であること、（５）周波数分割
多重化が可能であること、（６）軽量であること、（７
）制限要件の厳しくない材料だけが用いられること、（
８）ｒ ｆ ｉ （ラジオ周波数混信）、クロスＩ・−
りおよび接地の問題を緩和できること、（９）バンド幅
が広いこと等があげられる。

光学ファイバ（オプティカルファイバ）伝送線と結合す
る微小化された光学送信器が必要であることは、今日多
くの人が理解することとなっている。

最近、必要とされる２０ｄＢ／ｍはどの低損失の光学フ
ァイバ伝送線が開発された。

本発明においては、ニッケル貨（５セント）犬の基板チ
ップ上に製作される集積光学回路（ＩＯＣ）送信器につ
いて記述されている。

必要なのは、（１）所定の繰り返し速度を有する波長の
異なる光パルスの源、（２）光学導波管伝送路、（３）
光パルス列のパルスコード変調装置、（４）いくつかの
光パルス列の単一の光学導波管への結合方法、（５）チ
ップ上の表面導波管から光学ファイバ伝送線への結合技
術である。

これらの各々を遂行する装置が本発明において提供され
ている。

コヒーレントな放射源を微小化するには、出力が次に容
易に光学導波管に結合される表面レーザーを用いる必要
がある。

そのような表面レーザーを用いない場合には、エネルギ
ーを外部源から導波管に結合する必要がある。

このことは従来技術ではプリズムおよび格子型結合器を
用いて遂行された。

本発明においては、これらの技術が、Ｙ 、Ａ、 Ｇ・
Ｎｄあるいは他のパルスレーザ−放射を結合して表向レ
ーザーを光学的にボンピングする（光励起する）ために
用いられる。

本発明の表面レーザ゛−は異なる波長を有するいくつか
の放射源を提供し、それによって周波数分割多重化を可
能にする。

いくつかの従来技術の表面レーザーが開発されている。

たとえば、Ｐ ｒ Ｃｌ ３、種々の色素レーザーがあ
る。

しかし、それらのいずれも望ましい波長のところでの多
重周波数の発生は容易にはできていない。

色素レーザーは容易に種々の波長に同調できるが、これ
は望ましい波長領域である赤外領域では動作しないし、
その寿命が長くない６、本発明の表向レーザーは光学的
および（あるいは）電気的にボンピングされる半導体レ
ーザーであり、たとえば、ＧａＡｓ、他のＩＩ−Ｖ族化
合物および三元混合■−■族材料系でできている。

価電子帯と伝導帯の間のバンドギャップは、０．６へ〜
１．３μｍ領域の波長領域の放射を得るために材料組成
および適当なドーピングにより調節される。

キャリアの寿命は、レーザーがモード同期（モードロッ
キング）あるいは空胴ダンピングされたＹＡＧ−Ｎｄレ
ーザーからのボンピングに応じて最小のフィードバック
で超放射状レーザー放射を生じるように応答するのに充
分短い。

半導体レーザ・−媒質のエピタキシャル成長領域が選択
的エピタキシャル技術によって基板上につくられ、異な
った領域は、いくつかの異なる波長の放射を行なう各種
の表面レーザーを提供するために異なる組成およびドー
ピングの材料でできている。

光ビームはプラナ−な（平らな）表面−Ｌに付着、成長
、あるいはインブラント（注入生成）された透明な誘電
体構造中に導ひかれる。

導波管領域は、ある屈折率の媒質中に埋込まれた若干高
い屈折率の材料のスｌ−ＩＪツブから成っている。

光波は導波管の最低次基本モードで伝播するのが望まし
い。

基本モード伝播のための要件、導波管の屈曲によって起
る損失すなわち放射損失とモード結合、および写真製版
技術によってニッケル負犬のチップ−Ｌに製作する可能
性を考慮すると、望ましい波長領域は０．６〜１．３μ
ｍである。

このことは、導波管の幅を〜１０μｒｎ、厚さを〜０．
３μｒｎ、材料の屈折率をそれを埋込んでいる材料の屈
折率よりも〜４％大きくすることを必要とする。

そうすると、最小許容結合半径は〜４（Ｉｍとなり、端
規定度は〜０．１μｍである。

本発明によれば、これらの光学導波管はカルコゲナイド
ガラスによって製作できる。

これらの構造を製作することは現花の写真製版技術の範
囲内にある。

カルコゲナイドガラスを用いることは、上述した０、６
〜１．３μｍで動作する半導体表面レーザーと適合して
いる。

結合器、υｊ波器および他の受動的マイクロ波素子をつ
くるすべての技術について光学的類似物が製作され得る
。

また、利得を有する導波管構造が以下に記述するように
して製作され得る。

適当なバンドギャップを有するエピタキシャル半導体領
域上の基板が光学導波管の真下に形成される。

この活性材料はそこで外部エネルギー源によって光学的
にボンピングされ、光学導波管に隣接する材料中に分布
反転が起る。

光学導波管からこの材料中にのびている除々に消滅して
いく場によって、光学的に導ひかれた波が増幅される。

減衰器も同様な技術によって製作できる。

この製作技術に適合した変調装置が、音響光学効果によ
ってつくられる。

光学導波管構造が埋込まれている材料上の選択領域にＺ
ｎＯのような圧電材料が付着され、その上に圧電材料に
音波を送り出すのに適した指状の金属化パターンが置か
れる。

層は音波の波長と比較されるような方法でつくられてい
るので、光波は表面音波によって回折される。

この目的のためには、光学導波管の幅は単一モード伝播
のために必要なものより数倍大きく作られ、できれば回
折光波が交差するよう適当な角度をもったいくつかの出
口が設けられる。

ニッケル負犬のチップ上に製作されたこれらの装置によ
って光学送信器が与えられる。

本発明の上述あるいは他の目的、特徴および利点は、添
付図面と関連して例示的に記述した以下の実施例から明
らかになるであろう。

第１〜８ｂ図には、本発明による光学伝送装置の一実施
例が示されている。

ここでの目的は、まづエピタキシャルに成長された光学
的にボンピングされる表面レーザーを写えることである
。

このレーザーの放射線は周期的集積構造を介してプラナ
−な光学導波管に結合される。

そのような装置の概略図が第１図に示されている。

レーザー放射はＧａＡｓメサ１４の頂−ヒに成長した■
ｎｘＧａ１−ｘＡ−８の活性層１５で発生する。

本実権例では、メサ１４の面出しされた端部をとおして
の１７−ザー媒質１５へのフィードバック、ＩｎｘＧａ
１−＞（Ａｓのより高い屈折率による活性媒質１５中で
の導波、透明なＧａＡｓをとおした都合よいボンピング
によるＩｎｘＧａ１ 、Ａｓのバンドギャップでの放射
を可能とする。

プラナ−な導波管１６はカルコゲナイドガラスのｒｆス
パッタリング層２１．２２を含んでいる。

これらの材料はｌＶ族半導体と合った適当な屈折率を有
し、予定された波長領域で低損失であり、容易にスパッ
タリングされて高品質の膜を形成することができる。

表面レーザー１１と導波管１６の間の結合は活性層１５
の表面内につくられる格子構造によって行なわれる。

この格子構造をつくる技術すなわちフォトレジスト上へ
の干渉露光に関しては、格子の周期および結合パラメー
タを最適の結果を与えるよう変更することが可能である
。

本実権例では二基板の方法がとられているので、第１図
に示した装置をつくるのに必要な工程は各構成要素毎に
分割できる。

まづ、エピタキシャルな表面レーザーの吸収パラメータ
、レーザー発振しきい値、レーザーモード構造、波長等
が、太きな外部レーザーを光学的ボンピング用として用
いて詳細に検討される６、特にレーザー発振波長とモト
構造は、そのようなＩ／−ザー構造についての現存の理
論を用いて整合の目的でプラナ−な導波管のモードと比
較してその特性を決定しなければならない。

最適のレーザー発振機構が決定されたならば、適当な注
入形レーザー１０をボンピング用として置換えてもよい
。

プラナ−な光学導波管もまた、最初は別個の構造物とし
て検討することができる。

モード構造、分散特性、伝播定数等が外部レーザー源、
プリズｌ１、格子およびその他の適当な技術を用いて測
定できる。

同様に、ガラス組成や膜厚等で表わされる最適の構造が
、表面レーザーとのモード整合が最大になるように決定
できる。

格子結合器を、格子自体の研究ばかりでなくレーザー・
導波管測定の補助のために、１／−ザー構造と導波管構
造の両方の上につくることかできる。

表面レーザ゛・− 表向レーザーは、レーザ・−発振に加えていくつかの機
能、すなわち、（１）ボンピング用放射を効果的に吸収
しなければならない、（２）発生したレーザー放射を閉
込める光学空洞を提供しなければならない、（３博波管
にレーザー放射を伝送しなければならないという機能を
果さなければならない。

第２図に示した表向レーザー１１は、Ｇ ａ Ａ ｓ基
板１２−Ｌに酸化物マスク１３をとおして成長したメサ
１４を有する。

頂部の活性領域１５はガリウム、インジウムおよびひ素
の合金である。

生じたレザー放射を閉込めまたボンピング用放射を吸収
するためにバンドギャップをＧａＡｓのそれよりも下に
シフトさせるには、少量（数パーセント）のインジウト
が必要とされるだけである。

この合金の組成はＧ Ｏ，９５ＩｎＯ，５Ａ８に近い
。

多くの気相あるいは液相エピタキシャル過程を、異種エ
ピタキシャル（ペテロエピタキシャル）メサを成長させ
るために選ぶことができる。

メサをつくるための最良の方法は、ガリウム、ガリウム
・インジウム合金、ＨＣＩおよびひ素を過剰の水素中で
使用する気相過程である。

この方法により、Ｇ ａ Ａ ｓが成長し、続いて■。

がＧａ Ａ ｓ中に入った三元合金組成物が成長する。

成長速度は充分遅いので、それらの膜は再現性のある制
御された方法で形成できる。

上述したように、これらの異種エピタキシャル膜１４．
１５は酸化物マスク１３をとおして成長する。

この技術は、平行な対向面を有する光学空洞をそのよう
な面をへき開することなしに形成する独特なものである
。

マスク１３中の開口のｉＥ確な幾何学的形状は、本応用
例では重要である。

それは成長層の側面が互いに平行でかつ基板１２に垂直
でなければならないからである。

このような幾何学的形状を得るにはダイアモンド形のマ
スクが用いられる（第３図参照）。

マスクの基板に対する配向が第３図に示されている。

メサの端部の走査電子顕微鏡写真によると、（１１０）
ＧａＡｓ基板に垂直に（１１１）面が成長しているこ
とが判った。

このような而出しされた形状を与える他の配向もまた考
えれ得ることが理解されるべきである。

装置の効果的な動作のために所望されるように、表面レ
ーザー中で単一のあるいはほんの数個の低次の光学モー
ドのレーザー発振が得られる。

第４図に、受動的媒質の分散曲線を表向レーザーの許さ
れる伝播モードに対して示した。

エピタキシャルな表面レーザーはカルコゲナイドガラス
膜に接触され得る。

したがって、曲線は多重誘電体層の屈折率ｎ１！ ｎ２
ｔ ｎ３に対して計算した。

ｎｌはカルコゲナイドガラスの屈折率、ｎ２は（Ｇａ、
■ｏ）Ａｓの屈折率、ｎ３はＧａＡｓの屈折率である。

第４図から判るように、λ／ｄ ＜ １．５とすること
によって単一モード伝播（ＴＥｏ、ＴＭｏ）が得られる
。

（Ｇａ、■ｏ）４８層のドーピングは、レーザー発振の
しきい値が最小になるように調節される。

それには、（１）放射再結合過程を利用することと、（
２）膜の完全性、利得、およびハンド端に対する放射放
出波長に依存する光損失を最小にすることが重要である
。

なお、エピタキシャル膜は表面再結合効果を除去する埋
込まれたレーザ一層を提供するＧ ａ Ａ ｓ層とみな
すことができる。

薄膜光学導波管 レーザー放射をプラナ−な光学導波管に結合するが望ま
れる。

完全なモノリシックな構造をつくる問題に先立ち、別個
の基板上につくられる光学導波管にレーザー放射を結合
することを考えることにする。

このようなアブ［ｊ−チによって、調節可能なパラメー
タについての機能上のより完全な特性決定ができ、また
全体の装置を別個に最適化することができる。

そのため、第５図に示したような三層構造に対するマッ
クスウェル（Ｍａｘｗｅｌ ｌ）の方程式の解の性質を
考えることにする。

層はｙおよび２方向には無限にのびていて、屈折率がｎ
。

ｇ ｎｌ ＋ ｎ２であるとする。

場はｙ方向では変化せず、時間およびＺ方向に沿った距
離とともにｅｉ（ωを一βＺ）のように変化するものと
仮定する。

マックスウェルの方程式は二つの型の解を生じる。

その一つは非ゼロ場威分がＥ、Ｉ−（ｘおよび■■２だ
けのもの（ＴＥ波）であり、他は非ゼロ場成分力（Ｈ，
！Ｅｘ及びＥ２だけのもの（ＴＭ波）である。

二種類の解、すなわち、（１＞屈折率ｎ、の層に閉込め
られ該層から距離が離れるにつれて減少係数γおよびα
で指数関数的に減少していく導波される波と、（２）そ
のような閉込めを受けない導波されない波がある。

導波されない波は結合器および損失機構を考える場合重
要であるが、ここでは導波される波の方がより興味があ
る。

三つの領域での導波されるＴＥ波は、以下のようなＸ依
存性の場（電場）を有している。

Ｅ ｏｃｅ−γ（ｘ−ｄ）、（ｘ＞ｄ／２）Ｏ Ｅ、１■Ｃ０８（ｋＸ＋φ）、（−ｄ／２ぐｘ＜ｄ／２
）Ｅ ”ｅ”（ｘ” ’ｌ 之（ｘ＜ ｄ／ ２
）２ ここで、ｄは導波管層の幅、ｋおよびφはモード構造定
数である。

他の場成分はＥ、をＺあるいはＸに関して微分すること
によって得られる。

波動方程式および二つの界面における境界条件によって
、次の関係が得られる。

γ２−β２＋ｎｏ′ｋｏ′−０（ｋｏ−２π／λ。

）ｋ２−β２＋ ｎ ） ２ｋ ｏ２−０ α２−β２＋ ｎ ２” ｋ □” ＝ ０ｄ γ／ ｋ ＝ ｊａｎ （７＋φ） ｄ α／ ｋ−ｊａｎ （２＋−φ） 同様の関係がＴＭ波についても成り立つ。

導波される波に対してはｎｌ＞ｎ□ 、 ｎ２である。

λ。は真空中の波長である。

これらの方程式に対する個個の解を表示する便利な方法
は、ｋｏ／β−ｖ ／ ｃをｄ／λ０に対してプロット
することである。

そのようなプロットをｎ。

−１ｎ１＝２−６１． ｎ２＝２．５７に対して第６図
に示した。

これはＴｌ２Ｏガラス基板上にあるＴｌ−１１７３カル
コゲナイドガラス膜が空中にある場合に対応する。

ＴＩ＋２０およびＴｌ−１１７３ガラスはテキサス、イ
ンストルメンツ、インコーホレーテッドによって製造・
販売されている。

導波される波は第６図の上部ではｖ／ ｃ ＝２．５７
−’ （０，３８９）によって下部ではｖ／ｃ＝２．６
１−１ （０，３８３）によって境界される領域中に存
在する。

膜厚が増加すると、膜が支持することのできる導波され
るモードの数が増加する。

モードは対になって生じ、ｄ／λ。が増加するにつれて
ＴＥｏおよびＴＭｏ、ＴＥ、およびＴＭ１等々となる。

多くのガラスが近赤外領域で導波管として用いるのに適
している。

たとえば、高い屈折率のカルコゲナイドガラス（ＴＩΦ
２０、Ｔｌ−１１７３）が用いられる。

第７図に、それらのガラスの興味あるスペクトル領域で
の吸収曲線を示した。

図示した吸収曲線は吸収分光計によって測定されたもの
であり、正確な熱測定のデータをＹＡ、Ｇ−Ｎｄレーザ
゛−源を用いてとった］、、０６４μｍ １．１２μｍ
および１．３６μｍの点をとおるように規格化されてい
る。

ＴＩΦ２０．Ｔｌ−１１７３ガラスのデータを表Ｉに示
した。

ＡＳ２Ｓ３ガラスもまた有用であり、わずかに低い 屈折率とより短い波長で改良された透過率を有している
。

これらのガラスは、変調、屈折およびスイッチング機能
に対して重要な優れた音響光学特性を有している。

これらのガラスはｒｆスパッタリング技術によって容易
に薄膜となし得る。

膜の光学的性質は、そのバルク材料の性質とはわずかじ
か異っていない。

たとえば、Ｔｌ−１１７３バルク材料の屈折率は２６６
９であり、膜の屈折率は１．１５μｍで２．６１である
。

レーザー源と導波管の結合 上述したレーザーと導波管の構造は、縦形（ｅｎｄｆｉ
ｒｅ ）あるいはテーパ付結合のための簡単な方法を可
能とする。

レーザーは台またはメサ上のその基板の上方に持ち上げ
られる。

端面結合のためには、導波管は正しい高さに上げられな
ければならない。

完全なモノリシックな装置に対しては、導波管基板材料
のｒｆスパッタリングの間および引続く導波管材料のス
パッタリングの間レーザー構造をおおっておくことがで
きる。

別の結合方式として、レーザーと導波管の間の徐々に消
滅していく場による結合方式がある。

この結合が行なわれるためには、導波管の位相速度とレ
ーザー放射のそれとが整合されなければならない。

レーザー自体は層状誘電体構造であるので、それ自体の
放射の導波された伝播が起る。

レーザーと導波管の間に他の構造素子がレーザーの位相
速度を導波管のそれに変換するために必要である。

レーザーと導波管の側面間にはさまれた格子構造が、こ
の位相速度変換の役目を果す。

第１図は、格子を用いた構造を示している。

格子は多くの方法でつくることができ、そのうち最も簡
単な方法は格子をレーザー表面上のフォトレジスト層上
に定めその後格子構造をｌ／−ザー構造物中にイオンミ
ルする（イオンにより切削する）ことである。

この方法では、格子の溝の寸法、位置および形を精密に
制御することができる。

イオンミルの後、フォトレジストをレーザー表面から除
去する。

次に、レーザー構造物をひっくり返して平らな而出しさ
れた単結晶頂面を導波管に接合する。

この接合はいくつかの方法によって行なうことができる
。

両表面とも光の波長よりも平らになっているので、光学
的接触が可能である。

その他の方法として加圧接合法があり、加圧の間Ｔｌ−
１１７３ガラスの低温融点の近くで焼なましされる。

また、低粘性の光学セメントすなわち厚さが導波管やレ
ーザーの厚さに比較して小さいセメント層を用いる接合
法もあり、この方法の場合にはセメントを熔かすことに
よってレーザーと導波管を再び分離することができる。

上述したレーザー・導波管構造は、非常に融通性があり
、室温での動作に加えて多くの構造上および研究上の利
点を有している。

レーザーと導波管は別個に製作される。

そのため、それらの性質を結合する前に決定できる。

このことは次のような利点を与える。

第一に、広範ないろいろな材料がレーザーと導波管の材
料として用いることができ、そのため、レーザーをボン
ピング用源に整合させたり所望の波長で動作させること
ができるし、また導波管の材料を低損失とか、他の望ま
しい性質、たとえば、変調器と適合するとかの目的で選
ぶことができる。

第二に、多くの同じレーザーが同時に製作でき、そのた
め、整合した位相速度についての初期の誤差は同じレー
ザーバッチから弓続き製作される装置に関して修正でき
る。

第玉に、初めの段階でポンピング用注入形レーザーをよ
り強力なレーザーと置換えられるし、また格子の長さや
構造の最適化のような他の仕事と並行して表面レーザー
の注入ボンピングが検討できる。

格子間隔に関する要件は、幾何光学での格子公式により
決定される。

特に屈折率ｎ１およびｎ２の二つの媒質間では通常の式 ％式％（１） が得られる。

ここで、θ１と０２は垂線の方向から計った入射角と回
折角、λは真空中の波長、ｄは格子間隔、Ｓ（−±１、
±２、・・・）は回折次数である。

層状構造中の導波管の位相速度の逆数は（−）＝（−）
、 ・ｓｉｎθ （２）ｖ ｖ
バルク である。

ここで、Ｃは真空中の光速度、（ｃ ／ ｖ 、）ハ、
ウクーｎは格子膜のバルクの屈折率、θは全内部反射゛
ト面波が伝播して導波モードを形成する角度である。

式（１）及び（２）から、位相速度と格子の間に次の簡
単な式が得られる。

Ｃλ （マ）膜−（−；）ｌ／、−１、＋ｓイ （３）式（
１）は、入射光と回折光が整合パラメータの変化を必要
とせずに交換され得るという点で可逆的である。

そのため、格子は、放射を導波管に結合できるようにす
るばかりでなく放射を導波管から出てくるように結合す
ることも行なうことができる。

導波管への純結合を得るためには、格子は急激に終端し
ていて適当な長さでなければならない。

格子間隔に対する典型的な値はｄ＝１μｍの程度であり
、これは容易に構成できる間隔である。

このｄへの条件は式（３）から得られる。

完全な構造に対する一例は次の通りである。

９０００人の放射を行なうポンピング用注入形ｌ／−ザ
ーに対して、この構造の残りのパラメータがどのように
なるかを考えよう。

Ｇａ １−ｘ Ｉ ｎ ｘ Ａ、 ｓ表向レーザーのパ
ラメータを初めに計算しよう。

基板ヒの材料は光学的にボンピングされ、また室温でレ
ーザー放射を生じることが知られている。

ＧａＡｓとＩｎＡｓ の屈折率は極めて近い値でありま
たＩ １１の濃度は低いので、三元化合物ＧａｌＸＩｎ
ｘＡｓを屈折率や吸収係数がバンドギャップの近くでＧ
ａＡｓと同様の振舞いをするものと取扱かうことにする
。

５μｍの吸収長を得るには、ＧａＡｓの吸収係数表にし
たがってＧ ａ １−ｘ Ｉ ｎ ｘＡ ｓのバンド端
をボンピング用放射より２００人たけシフトさせる必要
がある。

Ｇ ａ ４−ｘ Ｉ ｎ ｘ Ａ ｓの組成に対するバ
ンドギャップエネルギ゛−曲線によれば、これは４．５
％のＩｎ濃度の場合に起る。

この三元化合物のバンド端での屈折率は３．６０３であ
り、ＧａＡｓのバンド端の値と同じである。

ＧａＡｓの９２００人での屈折率は３．５６９である。

導波を行なう三層レーザーの第三の層は第１図に示した
ようにＴｌ−１１７３ガラスである。

その屈折率は２．８である。そうすると、レーザーの位
相速度の逆数（ｃ／Ｖ）、／−ザーは３．６０３〜３．
５６９の間にありｃ／ｖ−３，６のところより１％の範
囲にある。

このモードの分散曲線は第４図に示されている。

Ｔｌ−１１７３からできていて空気とＴＩ＋２０ガラス
で境界されている導波管は２．６５〜２７の範囲の（Ｃ
／■）膜を有しており、モード分散曲線は第６図に示し
たものと同様である。

式（３）はそうするとＳλ／ｄ”−０，８の値で満足さ
れ、５＝−１としてｄ＝１．１５μｍを得る。

容易に製作できる格子間隔での一次の回折が必要とされ
る。

正弦振幅格子あるいは位相格子が用いられ得る。

この薄膜導波管は空気を第三の層として有しているので
、格子は薄膜レーザーの端面のところになければならな
い。

そうでない場合には、（Ｇａ、Ｉｎ）Ａｓが導波管の第
三の層となる。

誤差に対するいくらかの余地が、放出波長が１００人バ
ンドで生じるという点で存在する。

すなわち、λ／４の値は約１％拡がっている。

回折効率を犠性にすれば、格子素子の間隔を可変にした
りあるいは格子素子を多重配置することにより付加的な
拡がりが得られる。

ここでの実施例に用いた格子はある配向の平らな表面の
ホログラムである。

ｄの１％の変化は円筒状に曲った表面や振動する平らな
表面のホログラムをつくることによって得ることができ
る。

フォトレジスト膜中での格子パターンの相殺が５０μｍ
よりも長い格子では起るが、この値は必要とされる格子
よりもずっと長いものである。

カルコゲナイドガラス、酸化物ガラス、ＳｉおよびＧ
ａ Ａ ｓ表面上に格子結合器をつくる最適条件の例は
次の通りである。

シプレー（Ｓ ｈｉｐｌｅｙ ）社製ＡＺ１３５０正フ
ォトレジストをシプレー社製シンナーに１対１で薄めた
ものの被覆を３００Ｏｒｐｍの速さで表面上に回転被着
させる。

これにより、１５００人の厚さのレジスト層ができる。

このレジスト層を同一のアルゴンイオンレーザ゛−から
得た二つの交差するコリメートされた光ビームに露出す
る。

各ビームにわたっての光電測定は、光学的整列を助け、
ビームの強度が整合されていることを保証する。

ガウス（Ｇａｕｓｓ ）形分布をした各ビームの小さい
中央部分だけがレジストを露出するのに用いられ、二つ
の交差するビームはレジストでおおわれた表面に対して
それぞれ角度θ１．θ２（これらの角度は通常等しい）
をなし、λ ＣＯＳθ１＋ｃｏｓθ２−１だけ分離され
た干渉縞をつくる。

λは４８８０人であった。露出時間は使用する基板に依
存し、通常３〜１０分である。

わずかに露出過剰にすると、レジストの現像後、おおわ
れていない基板のストＩＪツブによって分離された矩形
断面を有するレジストの棒から成る格子が得られる。

露出および現像時間は良い格子をつくるのに重要な条件
であることが理解されるべきである。

レジストをつける前に基板を注意深く洗浄しておくこと
も重要である。

格子パターンはイオンミル機によって基板中に切込まれ
る。

その際アルゴンイオンの流れがミルをうける表面上に衝
突する。

フォトレジストは基板よりもゆっくり除かれる。

例えば、レジストおよびＧａＡｓ基板に対するミル速度
はそれぞれ０．０６μｍ／分および０．１２μｍ／分と
した。

新しい大きなイオンミル機が開発されれば製作条件の自
由度が増すことは明らかである。

格子の周期は０．６４μｍであった。

完全な装置の構造 第１図に示したような最終的な装置を再び調べてみるこ
とにする。

約９０００人のボンピング用放射が標準の注入形ＧａＡ
ｓレーザー１０から発生され、基板１２を通過して、活
性薄膜レーザー構造を形成する（ Ｇａ 、 Ｉ ｎ
）Ａｓの層１５（数μｍの厚さ）に吸収される。

層１５は、光学的に励起され、メサ構造の平行な面出し
された成長向による反射によってフィードバックが行な
われると９１００〜１２０００人の領域でコヒーレント
に光放射しその結果導波された薄膜レーザー共振器のエ
ネルギー循環特性を確立する。

しかしながら、この循環するエネルギーを横断方向にお
いて閉込めるのは、光学空胴の従来のような正規のモー
ドをとおしてではなくむしろ（Ｇａ 、 Ｉ ｎ ）Ａ
ｓレーザ一層の高い屈折率による誘電体導波特性をとお
して起る。

この循環するレーザー放出を外に出すことは格子結合器
によってなされる。

この結合器はレーザ一層中にフォトレジストとイオンミ
ル技術を用いて直接つくられる。

格子をとおして結合して出てきた放射は三層導波管構造
中に閉込めうる、高屈折率単一モードカルコゲナイドガ
ラス層中を伝播する。

このようにして、集積された薄膜レーザー・結合器・導
波管構造が得られる。

メサ表面レーザー構造のレーザー出力は、二つの異なる
実１験技術によって観察でき、相関づけられる。

まっ、第８ａ図に示したように、新しく製作した表面レ
ーザー１１を、格子をつくる前に、光学的にボンピング
してレーザー発振させる。

この段階では、而出しされた端部をとおしての単純な「
縦形」出力が観察される。

波長や強度分布を角度や他の適当なパラメータの関数と
して測定する。

格子をつくった後、第８ｂ図に示したように、レーザー
出力を格子をとおしてカルコゲ゛ナイドガラスバルク板
に結合する。

［−縦形」出力の測定は前項のレーザー源と導波管の結
合のところで記述した理論的基礎およびスネル（５ｎｅ
ｌｌ ）の法則の簡単な応用の下に、それらの観察によ
ってレーザー発振機構のモード構造や分散特性適切な理
解を与え、さらに、格子の長さや周期の最適値を導ひき
出すものであることが理解されるべきである。

本発明は、特定の好適実焔例に関して記述されてきたけ
れども、多くの変化や変形が技術に長じた人には明らか
であろう。

そのため、特許請求の範囲はそのような変化や変形のす
べてを含むものであることが理解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による集積化された表面レー
ザー光学導波管、第２図はメサ表面レーザー構造、第３
図は表面レーザーの成長に用いるマスクの配向、第４図
はｍ。 −２，８、ｎ１＝：３．６、ｍ３−３．５７に対する分
散曲線、第５図は三層誘電体導波管構造、第６図はｎ。 −１、ｎ、−２，６１゜ｎ２＝２．５７に対する分散曲
線、第７図はＴｌ１ＯおよびＴＩ＝＃１１７３ガラスの
先攻収率曲線、第８ａ図は縦形配向によるレーザー出力
の観測、第８ｂ図は格子結合によるレーザー出力の観測
を示す。 １２・・・・・・基板、１３・・・・・・絶縁体層、１
４・・・・・・メサ、１５・・・・・・活性層、１６・
・・・・・光学導波管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １１−Ｖ族半導体化合物および三元混合１−Ｖ族半導体
   組成物から威る一群の材料より選ばれた半導体材料の基
   板、該基板の表面−ヒに設けられ前記基板をとおるレー
   ザー放射路に合った開口を有する絶縁体層、前記基板上
   に設けられ前記絶縁体層の開口をとおしてのびている■
   −■族半導体化合物および三元混合１−Ｖ族半導体組成
   物から成る一群の材料より選ばれた半導体材料のメサ、
   および、該メサの頂部に沿ってのびており前記基板およ
   び前記メサをとおるレーザー放射の放出に応答してレー
   ザー放射を生じる表面レーザー活性領域を定める手段を
   有する適当な光源からレーザー放射を受ける表面レーザ
   ーと、該表面レーザー活性領域に並置された光学導波管
   手段と、レーザー放射を前記光学導波管手段に伝送する
   ために前記表面レーザー活性領域と前記光学導波管手段
   の間に前記表面レーザー活性領域で生じるレーザー放射
   の位相速度を前記光学導波管手段のそれと整合させる除
   除に消滅していく場による結合を形成することによって
   前記表面レーザー活性領域を前記光学導波管手段と結合
   する手段とを含む光学伝送装置。